基于密切值法的水質單因子評價體系研究

汪鑰龍 魏煒 覃家飛 范文陽 吳佳昌

（1、廣西交通職業技術學院，廣西南寧 530023 2、廣西交科集團有限公司，廣西南寧 530023）

水質評價是按照選定的指標，對各類型的水體質量進行定性或定量的檢測，根據一定的水質評價方法和水質分類標準進行客觀評價的過程。2018 年1 月1 日，經第二次修訂的《中國人民共和國水污染防治法》正式實行，其中與水質要求相關的條款更趨嚴格，而水質評價作為水體情況評定、水資源管理和水污染防治問題的主要途徑，對水資源的開發利用和污水處理等起著決定性作用。

水質評價方法有單因子評價法[1]、主成分分析法[2]、BP神經網絡法[3]和健康風險綜合指數法[4]等。在《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中明確指出，地表水質評價應根據水域功能類別，選擇相應標準，進行單因子評價，評價的結果應該說明水質達標情況，超標部分應說明清楚超標項目、倍數以及達到的標準。單因子評價法可以直觀的觀察出各個水質指標水質污染程度，以單項最差的水質因子所對應的類別作為此評價區域的等級。雖然該方法概念明確、易于操作、計算簡單，但是由于其“一票否決”和范圍性原則，該方法不能準確的表達出各同類水體的綜合情況，存在單一性和局限性。因此，本文將密切值法[5]引入到水質評價中的單因子評價法中，作為對單因子評價方法的補充和完善。

1 密切值法在水質評價單因子評價法中的步驟

密切值法（Close Value Method）是工程學中一種常用的多目標決策的優選方法，此方法通過找出各評價對象中影響因子指標的“最優點”和“最劣點”界限，分別計算出對應指標到“最優點”和“最劣點”之間的歐氏距離，求出評價對象的密切值，再按照所求密切值的大小排列出評價對象間的優劣順序，從而將多目標決策轉換為單一的綜合值進行評價，密切值越小，則表明評價對象越優。對同類型的水質進行優劣評價是典型的多目標評價，因此，本文嘗試將密切值法應用到水質評價單因子評價法中，為單因子評價法中同類型水質情況提供科學合理的排序，具體步驟如下:

1.1 構建原始的影響因子指標矩陣

假定某水資源論證項目n 個擬定取水口均為某類水，各擬定取水口的水樣中有m 個影響因子指標，則可以構建n×m 階的影響因子指標矩陣Y:

其中，m 表示影響因子指標的項數；n 表示取水樣品的個數；anm表示第m 個取水樣品的第n 項影響因子指標的值。

1.2 影響因子指標矩的同向化和規范化

在構建原始影響因子矩陣的評價指標中，既有對水質評價產生正向作用的因子，也有對水質評價產生負向作用的因子，為了使各指標具有可比性，需對其進行同向化處理，即將對水質評價結果產生負向作用的指標前添加負號。又因為不同評價指標的數量級和量綱不同，為了獲得無量綱的規范化矩陣，需要對原始矩陣（1）按規范化公式（3）進行處理。

1.3 確定各項的“最優點”和“最劣點”

利用Excel 計算出各項“最優點”和“最劣點”，構建構建“最優點”矩陣A+（4）和“最劣點”矩陣A-（5）。

各項“最優點”和“最劣點”計算公式：

1.4 計算各水質評價因子到最優點和最劣點的距離

1.5 計算各水質密切值并排序

分別計算各水質的密切值Ci，然后根據密切值的大小進行排序。

2 水質評價工程實例

2021 年，編者所在課題組承接的廣西隆安縣某水廠取水口設置項目中，計劃從三個取水口處擇優進行取水，因此需對項目所在水功能區水質現狀進行分析，在項目所在的論證河段的擬取水的3 個斷面進行連續監測，評價根據《全國重要江河湖泊水功能區劃（2011-2030 年）》（2017），3 個斷面水質均執行《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水質標準，課題組委托某監測公司與2021 年10 月17-10 月19 日連續三天對三個斷面的水質進行了監測，根據地表水環境質量標準限值（表1）和地表水監測結果（表2），計算出各影響因子項目平均值及各指標屬性（表3）：

表1 地表水環境質量標準限值單位：mg/L（pH 值除外）

表2 地表水監測結果單位：mg/L，特別注明除外

根據表3 按照公式（1）構建判斷矩陣Y：

表3 各斷面水質監測結果均值及各指標屬性情況表單位：mg/L，特別注明除外

按公式（3）對矩陣Y 進行同向化和規范化處理，得到規范化矩陣R:

按公式（4）和公式（5）求出各指標的最優矩陣A+和最劣矩陣A-:

按公式（8）和公式（9）計算出各斷面影響因子指標到其“最優點”和“最劣點”的歐氏距離：

根據公式（10）求出各斷面水質的密切值，得到1#斷面的密切值0.036，2#斷面的密切值0.240，3#斷面的密切值0.487，由于密切值越小代表越水質越好，因此1#斷面的水質最好，取水口應設于此處。

3 討論

根據工程實例的計算，最終選擇水質最優的1#取水

點進行取水，因為綜合來看，1#斷面的水質情況最好，在9 項水質指標中，有溶解氧、化學需氧量、氨氮和總磷4項是最優指標，僅有1 項是最差指標，因此在綜合計算中，1#斷面水質評價得到的密切值最小，水質最優。廣西隆安縣某水廠取水口設置項目中實例的計算結果表示1#斷面水質是最好的，在實際的取水口選擇鐘，項目評審專家認定1#斷面水質相對更好，在其他條件相似的情況下最終選擇1#斷面為取水口，與實際工程選擇是相同的，這說明密切值法在水質評價中是切實可行的。

4 結論

本文將密切值法用于水質單因子評價法中，對于同類水的優劣進行更為詳細的排序，是對單因子評價法的完善和補充，在水質評價中具有重要的借鑒意義。